生物学遗传规律中核心概念的构建与应用
张旭陈月艳毕诗秀
(1.北京市第四中学北京100034)
(2.北京市西城区教育研修学院北京100032)
《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)中,明确要求“高中生物必修和选择性必修课程的模块内容聚焦大概念,突出重点,让学生深刻理解和应用重要的生物学概念。”概念并非定义,而是对事物规律的抽象化认识,是头脑中认知体系的构筑单位。学习也并非单纯的记忆,而是对某一知识领域构筑认知模型的过程。同一体系下的认知模型由相互关联的概念构成,将存在因果关系的知识或事件构建成一个整体,是认识、适应和改造这个世界的基础。在学习过程中,学生对概念的理解是否到位、对概念间的关系是否把握准确,决定了其头脑中形成的认知模型是否准确、完整,进而决定了不同学生具有较大差异的理解力、解释力、创造力等综合应用能力。概念图是认知模型的具体呈现形式之一,有助于将客观的知识主体化,将概念间的联系直观化,是学生加深对概念理解的重要手段之一。
“遗传与进化”模块是高中生物的难点,有性生殖过程中产生配子的复杂性决定了遗传规律的多样性。且必修二各部分内容,如遗传规律、减数分裂、伴性遗传、变异和进化等,都是在遗传过程中发生的事件,只是从不同角度展开,所以各章节是高度关联的统一整体,概念间具有紧密的因果联系。学生经过高三一轮复习后,对基础知识做了回顾,加深了印象,但对概念的理解深度和概念间的联系还有欠缺。学生能够说出遗传中关于“基因自由组合”和“交叉互换”的表述,却不容易体会到二者与减数分裂的关联及意义;能说出“等位基因是同源染色体相同位置控制不同相对性状的基因”,却体会不到等位基因与基因突变的关系,自然也就无法准确说出等位基因的本质不同。因此,在高三综合复习阶段,教师应辅助学生构建针对遗传规律大概念的概念图,将其超越教材章节的限定构建成相互关联的整体,是提升学生知识迁移和综合应用能力的重要手段。
分离定律是三大经典遗传定律之一,也是“自由组合”和“连锁与交换”的基础。这部分涉及的大概念包括:分离定律、等位基因、基因突变、性状分离等。图1为笔者构建的简要概念图。
图1等位基因和分离定律概念图
分离定律的本质是减数第一次分裂后期同源染色体的分离,所以分离定律不仅适用于等位基因或是连锁的非等位基因,也同样适用于染色体结构和数目的变异(图1)。例如染色体缺失引起的丢失基因与正常基因、“三体”的遗传规律等。
很多学生对等位基因概念的理解不到位,单纯地从字面意义理解,认为等位基因就是位于同源染色体相同位置的基因。然而,等位基因反映的是“不同”,其本质在于碱性序列不同。基因突变是等位基因产生的根本原因,基因突变的不定向性决定等位基因的多样性和显隐性的不确定性,例如呈现显隐性的A和a、均为显性的A1、A2和均为隐性的a1、a2等情况。通常情况下,通过不同的杂交方式可以判断等位基因间的显隐关系;当从表型无法判断时,可利用DNA诊断的方法从基因水平进行检测,例如基因工程中的重要技术DNA分子杂交和PCR。通过遗传规律、变异和基因工程前后知识的整合,使学生深化了对相关概念的理解、实现知识的迁移,提高了运用基本知识解决实际问题的能力。
性状分离是遗传规律中的重要概念。在孟德尔杂交实验中,性状之所以会“分离”,是因为F1是杂合子,同时具有显隐性基因,且在减数分裂过程中随同源染色体的分离而分离,经历雌雄配子随机结合后出现的现象。所以,性状分离的本质不在于是否“自交”,只要亲本中有杂合子,其控制不同相对性状的等位基因在杂交过程中就可能出现重新组合,产生不同于亲本的相对性状。
同样,在杂交过程中,判断显隐性的常见方式有两种:第一种是两个相对性状的个体杂交,根据子代表现型判断,例如豌豆紫花个体与白花个体杂交,子代是紫花;第二种是某个体自交,根据子代是否出现性状分离判断,例如紫花豌豆自交,后代同时出现紫花与白花个体。这两种方法本质上都是根据杂合子的性状来判断。第一种方法中杂合子是子代,第二种方法中是根据是否出现性状分离来确定亲代是否为杂合子。因为杂合子是同时具有不同类型等位基因的个体,“外显”的相对性状对应的基因即为显性基因。如果Aa个体的性状不确定,如亲代中A对应的性状,子代中a对应的性状,那么在这种是无法判断显隐性的。值得一提的是显隐性是相对的,与基因表达的机制有关,也有环境因素有关。
【例1】科研人员为了探究拟南芥A基因的功能,将T-DNA中插入了卡那霉素抗性基因的农杆菌对野生型拟南芥进行转化,T-DNA插入导致A基因发生________,得到突变型拟南芥。科研人员用突变型拟南芥进行了杂交实验,结果见表1。
表1杂交实验中亲本与子代卡那霉素抗性